MIMO异因子紧格式无模型控制方法技术

本发明专利技术公开了一种MIMO异因子紧格式无模型控制方法，针对现有的采用同因子结构的MIMO紧格式无模型控制方法的局限性，也就是：在k时刻针对控制输入向量中的不同控制输入只能采用相同数值的惩罚因子与相同数值的步长因子的局限性，提出了一种采用异因子结构的MIMO紧格式无模型控制方法，在k时刻针对控制输入向量中的不同控制输入可采用不同数值的惩罚因子和/或不同数值的步长因子，能够解决强非线性MIMO系统等复杂对象中存在的各个控制通道特性各异的控制难题。与现有的控制方法相比，本发明专利技术具有更高的控制精度、更好的稳定性与更广的适用性。

MIMO Model-Free Controller with Different Factor Compact Format

The invention discloses a model-free control method for MIMO compact format with different factors. Aiming at the limitation of the existing model-free control method for MIMO compact format with the same factor structure, i.e. at k-time, aiming at the limitation that different control inputs in the control input vector can only use the same penalty factor and the same step-size factor, an asynchronous factor structure is proposed. The MIMO compact format model-free control method can adopt different penalty factors and/or step-size factors for different control inputs in the control input vector at k-time. It can solve the control problems of different control channel characteristics in complex objects such as strong nonlinear MIMO systems. Compared with the existing control methods, the invention has higher control accuracy, better stability and wider applicability.

【技术实现步骤摘要】
MIMO异因子紧格式无模型控制方法
本专利技术属于自动化控制领域，尤其是涉及一种MIMO异因子紧格式无模型控制方法。
技术介绍
炼油、石化、化工、制药、食品、造纸、水处理、火电、冶金、水泥、橡胶、机械、电气等行业的大多数被控对象，包括反应器、精馏塔、机器、设备、装置、生产线、车间、工厂，本质上都是MIMO(MultipleInputandMultipleOutput，多输入多输出)系统。实现对MIMO系统的高精度、高稳定、高适用性控制，对工业的节能降耗、提质增效具有重要意义。然而，MIMO系统的控制难题，尤其是强非线性MIMO系统的控制难题，一直以来都是自动化控制领域所面临的重大挑战。MIMO系统的现有控制方法中包括MIMO紧格式无模型控制方法。MIMO紧格式无模型控制方法是一种新型的数据驱动控制方法，不依赖被控对象的任何数学模型信息，仅依赖于MIMO被控对象实时测量的输入输出数据进行控制器的分析和设计，并且实现简明、计算负担小及鲁棒性强，具有良好的应用前景。MIMO紧格式无模型控制方法的理论基础，由侯忠生与金尚泰在其合著的《无模型自适应控制—理论与应用》(科学出版社，2013年，第93页)中提出，其控制算法如下：其中，u(k)为k时刻控制输入向量，u(k)＝[u1(k),…,um(k)]T，m为控制输入总个数(m为大于1的正整数)；e(k)为k时刻误差向量，e(k)＝[e1(k),…,en(k)]T，n为输出总个数(n为正整数)；Φ(k)为k时刻MIMO系统伪雅克比矩阵估计值，||Φ(k)||为矩阵Φ(k)的2范数；λ为惩罚因子；ρ为步长因子。上述现有的MIMO紧格式无模型控制方法，采用了同因子结构，也就是说：在k时刻，针对控制输入向量u(k)中的不同控制输入u1(k),…,um(k)，只能采用相同数值的惩罚因子λ与相同数值的步长因子ρ。当现有的MIMO同因子紧格式无模型控制方法应用于强非线性MIMO系统等复杂对象时，由于控制通道特性各异，往往难以实现理想的控制效果，制约了MIMO紧格式无模型控制方法的推广应用。为此，为了打破现有的MIMO同因子紧格式无模型控制方法的应用瓶颈，本专利技术提出了一种MIMO异因子紧格式无模型控制方法。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于，提供一种MIMO异因子紧格式无模型控制方法，其特征在于：当被控对象为MIMO(MultipleInputandMultipleOutput，多输入多输出)系统时，所述MIMO异因子紧格式无模型控制方法计算k时刻第i个控制输入ui(k)的数学公式如下：其中，k为正整数；n为所述MIMO系统输出总个数，n为正整数；i表示所述MIMO系统控制输入总个数中的第i个，i为正整数，1≤i≤m，其中m为所述MIMO系统控制输入总个数，m为大于1的正整数；j表示所述MIMO系统输出总个数中的第j个，j为正整数，1≤j≤n；ui(k)为k时刻第i个控制输入；ej(k)为k时刻第j个误差，即k时刻误差向量e(k)＝[e1(k),…,en(k)]T的第j个元素；Φ(k)为k时刻MIMO系统伪雅克比矩阵估计值，φj,i(k)为矩阵Φ(k)的第j行第i列元素，||Φ(k)||为矩阵Φ(k)的2范数；λi为第i个控制输入的惩罚因子；ρi为第i个控制输入的步长因子；针对MIMO系统，所述MIMO异因子紧格式无模型控制方法将i的取值遍历正整数区间[1,m]内的所有值，即可计算得到k时刻控制输入向量u(k)＝[u1(k),…,um(k)]T；所述MIMO异因子紧格式无模型控制方法具有异因子特征；所述异因子特征是指针对正整数区间[1,m]内任意两个互不相等的正整数i与x，在采用所述控制方法对MIMO系统进行控制期间，如下两个不等式中至少有一个不等式成立：λi≠λx；ρi≠ρx在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：所述k时刻第j个误差ej(k)采用第j个误差计算函数计算得到；所述第j个误差计算函数的自变量包含第j个输出期望值与第j个输出实际值。所述第j个误差计算函数采用其中为k时刻第j个输出期望值，yj(k)为k时刻第j个输出实际值；或者采用其中为k+1时刻第j个输出期望值；或者采用或者采用所述被控对象包含反应器、精馏塔、机器、设备、装置、生产线、车间、工厂。运行本专利技术所述控制方法的硬件平台包含工业控制计算机、单片机控制器、微处理器控制器、现场可编程门阵列控制器、数字信号处理控制器、嵌入式系统控制器、可编程逻辑控制器、集散控制系统、现场总线控制系统、工业物联网控制系统、工业互联网控制系统的任意之一或任意种组合。本专利技术提供的MIMO异因子紧格式无模型控制方法，针对控制输入向量中的不同控制输入可采用不同数值的惩罚因子或不同数值的步长因子，能够解决强非线性MIMO系统等复杂对象中存在的各个控制通道特性各异的控制难题。因此，与现有的MIMO同因子紧格式无模型控制方法相比，本专利技术提供的MIMO异因子紧格式无模型控制方法具有更高的控制精度、更好的稳定性与更广的适用性。附图说明图1为本专利技术的原理框图；图2为两输入两输出MIMO系统采用本专利技术的MIMO异因子紧格式无模型控制方法时第1个输出的控制效果图；图3为两输入两输出MIMO系统采用本专利技术的MIMO异因子紧格式无模型控制方法时第2个输出的控制效果图；图4为两输入两输出MIMO系统采用本专利技术的MIMO异因子紧格式无模型控制方法时的控制输入曲线；图5为两输入两输出MIMO系统采用现有的MIMO同因子紧格式无模型控制方法时第1个输出的控制效果图；图6为两输入两输出MIMO系统采用现有的MIMO同因子紧格式无模型控制方法时第2个输出的控制效果图；图7为两输入两输出MIMO系统采用现有的MIMO同因子紧格式无模型控制方法时的控制输入曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进一步说明。图1给出了本专利技术的原理框图。针对具有m个控制输入(m为大于1的正整数)与n个输出(n为正整数)的MIMO系统，采用MIMO异因子紧格式无模型控制方法进行控制；针对第i个控制输入ui(k)(i＝1,…,m)，确定MIMO异因子紧格式无模型控制方法用于计算ui(k)的数学公式中所有参数包含惩罚因子λi、步长因子ρi的数值；将当前时刻记为k时刻；将第j个输出期望值与第j个输出实际值yj(k)之差作为k时刻第j个误差ej(k)；将j的取值遍历正整数区间[1,n]内的所有值，得到误差向量e(k)＝[e1(k),…,en(k)]T；基于k时刻误差向量e(k)＝[e1(k),…,en(k)]T与惩罚因子λi、步长因子ρi的数值，采用MIMO异因子紧格式无模型控制方法计算k时刻第i个控制输入ui(k)；针对MIMO系统，MIMO异因子紧格式无模型控制方法将i的取值遍历正整数区间[1,m]内的所有值，即可计算得到k时刻控制输入向量u(k)＝[u1(k),…,um(k)]T；控制输入向量u(k)作用于被控对象后，得到被控对象在后一时刻的n个输出实际值，然后进行后一时刻的MIMO异因子紧格式无模型控制。以下是本专利技术的具体实施例。被控对象采用的两输入两输出MIMO系统，具有非最小相位非线性系统的复杂特征，属于特别难本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.MIMO异因子紧格式无模型控制方法，其特征在于：当被控对象为MIMO(Multiple Input and Multiple Output，多输入多输出)系统时，所述MIMO异因子紧格式无模型控制方法计算k时刻第i个控制输入ui(k)的数学公式如下：

【技术特征摘要】
1.MIMO异因子紧格式无模型控制方法，其特征在于：当被控对象为MIMO(MultipleInputandMultipleOutput，多输入多输出)系统时，所述MIMO异因子紧格式无模型控制方法计算k时刻第i个控制输入ui(k)的数学公式如下：其中，k为正整数；n为所述MIMO系统输出总个数，n为正整数；i表示所述MIMO系统控制输入总个数中的第i个，i为正整数，1≤i≤m，其中m为所述MIMO系统控制输入总个数，m为大于1的正整数；j表示所述MIMO系统输出总个数中的第j个，j为正整数，1≤j≤n；ui(k)为k时刻第i个控制输入；ej(k)为k时刻第j个误差，即k时刻误差向量e(k)＝[e1(k),…,en(k)]T的第j个元素；Φ(k)为k时刻MIMO系统伪雅克比矩阵估计值，φj,i(k)为矩阵Φ(k)的第j行第i列元素，||Φ(k)||为矩阵Φ(k)的2范数；λi为第i个控制输入的惩罚因子；ρi为第i个控制输入的步长因子；针对MIMO系统，所述MIMO异因子紧格式无模型控制方法将i的取值遍历正整数区间[1,m]内的所有值，即可计算得到k时刻控制输入向量u(k)＝[u1(k),…,um(k)]T；所述MIMO异因子紧格式无模型控制方法具有异因子特征；...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢建刚，陈晨，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33